配电网电能质量分析与无功补偿方法研究

刘旭阳

摘要：本文主要介绍了电能质量采集理论依据和无功补偿理论依据，为提高电能质量进行理论指导。电能参数包括电压、频率、谐波等，通过现代谱分析方法对电能质量进行暂态和稳态分析，通过电压扰动源定位依据对扰动信号进行定位，最后通过无功补偿方法优化电能质量。

Abstract： This article mainly introduces the theoretical basis of power quality acquisition and reactive power compensation， and provides theoretical guidance for improving power quality. The power parameters include voltage， frequency， harmonics， etc.， the power quality is analyzed in transient and steady state by modern spectrum analysis methods， the disturbance signal is located based on the voltage disturbance source location， and finally the power quality is optimized by the reactive power compensation method.

关键词：电能质量;谐波;谱分析;无功补偿

Key words： power quality;harmonics;spectrum analysis;reactive power compensation

中图分类号：TM71                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0194-03

0  引言

不便储存并且所有过程同时进行是电能的一个特点。因此，发电厂可以直接影响电能质量的数值，并影响终端用电设备[1-3]。在理想情况下，发电厂发出的是具有相同幅值和波形的正弦电压，但是在现实中，由于外部条环境的影响，使得电能在输送过程中发生畸变，到达用户端时已经与原值产生偏差，即出现电能质量问题[4]。主要表现为两点：第一点，风能、太阳能、潮汐能等新能源的使用，使得电力系统出现很多不确定问题，主要表现为风的大小，风向，太阳的日照时间及其强度，水的流量及水体质量等，给电能注入电网造成了很多的冲击[5-7]。第二点，电力线路的老化、大功率用电设备的投入使用、多种非线性负荷设备投入运行，造成了电能的畸变问题[8，9]。对电能质量的分析、采集和治理问题已经成为电力系统的首要治理目标，通过对电能质量采集和分析来进行优化，为生产高质量的电能提供理论指导。

1  电能质量采集及分析理论依据

1.1 电能质量参数指标

根据电能质量的特性以及现有的相关标准，可以将电能参数分为稳定参数和固定参数。其中，电能的稳定参数如下：

1.1.1 电压偏差

电压偏差，是指在正常工作环境下，供电电压减去额度电压并与额度电压相除所占的百分值。电压偏差用ΔU表示。根据定义电压偏差ΔU可表示为：

无功功率的失调会产生电压偏差。总消耗包括负荷消耗和线损消耗，当无功功率在总消耗规定的范围时，电压偏差可以控制;当无功功率超出总消耗规定的范围时，电压偏差会不可控制。

1.1.2 频率偏差

实际的频率量较规定的频率量的差值叫做频率量偏差。如下式所示，频率偏差可定义为配电网系统正常工作的条件下，配电网实际频率相对于额定频率的偏离程度。

频率量偏差主要是由于有功功率失衡造成的，当有功功率的供给与消耗不平衡时，频率会发生畸变，当不平衡程度过大时，会对电网造成严重冲击。

1.1.3 谐波

当频率是周期性的，且数值是原基础频率整数倍的分量叫做谐波，在GB/T 13635-2016中将总谐波畸变率和各次谐波含有率作为基础来衡量网络中谐波的标准。线路中的谐波容量为：

配电网中一切非线性设备和负荷都是导致谐波的起因，电力电子设备等新技术的使用造成非线性负荷大幅度增加。谐波会使电气设备老化破损，减少设备的寿命等，谐波问题已然成为配电网中严重的问题。

1.1.4 间谐波

当谐波的频率是非基波分量时，这种谐波被称为间谐波。导致间谐波的主要是感应电动机、静止变频器和电弧设备等的使用。在配电网系统中，基础间谐波的数量是衡量间谐波的标准。公式如下：

傅里叶变换分析方法：

傅里叶变换在稳态电能质量分析研究领域中是最常使用的一类方法，傅里叶变换方法可将原始信号从时域提取到频域中，并可以显示出频域特征，对于配电网中谐波问题，傅里叶变换方法能够清晰的检测出谐波成分。

1.2 现代谱分析方法

通常将不用于傅里叶变换为理论基础的谱分析方法称作现代谱分析。电力系统正弦波形的电压（电流）可看成系统中的平稳随机系列，现代谱分析方法可以应用于非整数次谐波的分析。

现代谱分析方法根据信号本身信息，通过窗函数截取的局部信息进行外推，提升信号谱分析真实度，这种方法针对分析谐波和间谐波等效果良好。

现代谱分析方法包括数值模型与非数值模型两类。数值模型方法有两类：有理数值模型和特殊数值模型。有理数值模型一般包括AR模型、MA模型、ARMA模型。特殊数值模型是由数值信号的理想排列而成，因此又称指数模型，包括Prony以及扩充Prony两类。非数值模型法包括有小数迭代法、过滤迭代法等。

①小波变换。

小波变换是一种新式变换方法，该方法在信号上加一个时频可变的窗口，此窗口的大小可以根据频率调节而变。小波变换的实质是通过系数在函数中的代入，产生具体的函数。时域信号的小波分析定义为：

小波分析方法对于配电网中不平稳信号的分析和检测应用广泛，算法过程简单容易，对于扰动检测定位误差较小。通过信号获取，根据小波变换对暂升信号进行分析，确定信号的起始时刻为0.16s，结束时刻为0.24s，扰动持续时间为0.08s，根据第五层低频系数可以确定信号的扰动类型。但是采用小波分析法会出现“边缘效应”，需要在边界上对一些数据进行处理，因此会浪费更多的时间，并可能导致误差的产生。

②S变换。

S变换是在小波变换和快速傅里叶变换基础上的继承和延伸。信号x（t）的S变换定义如下：

S变换可理解为对信号做一个加窗口的快速傅里叶变换，但同FFT的区别在于窗口的高度和宽度可以随频率的更改而改变，S变换打破了FFT在固定时刻窗口进行伸缩的局限。S变换方法适合分析扰动的信号，尤其是对于配电网中的暂态扰动信号的分析。

1.3 电压扰动源定位依据

应用变换矩阵原理可进行电压扰动定位，主要理论依据是单环定理以及LES原理。

①單环定理。

2.3 提高运行电压

当负载过多，电线直径过细时，通过加装补偿系统，可以将线路电压升高，尤其是在线路末端效果更好，因此根据补偿需求选择合适的补偿容量是一个关键问题。但是，如果加装大容量补偿设备，会使得电压过剩，引起线路超负荷运行，为了使得补偿设备与线路需求相匹配，需要确定补偿容量QC和所需电压的对应关系。

3  结论

本文通过三种方法提高补偿容量，一是将功率因数升高，高功率因数下，cosφ曲线的上升率变小，因此，提高功率因数所需的补偿容量将要相应的增加。二是减少网损来确定相应的补偿装置。三是升高一定的电压水平，加装对应的补偿装置后可以产生更好的电能。三种方法都能很好的解决电能质量问题，根据实际需要选择相应的提高电能质量方法，不仅可以给用户提供更好的电能而且还能在经济方面起到一定的节约。

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